基于数值方法的船用铝合金螺旋桨性能和强度分析

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(1.大连理工大学 运载工程与力学学部，辽宁 大连 116023;2.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116023)

通常，海上船舶推进系统中的螺旋桨大多由青铜合金制成。这种材料具有硬度大，屈服强度高，弯曲变形小等优点；但同时也存在很多问题，如桨叶易出现诱发疲劳裂纹，空泡腐蚀现象严重，吸振性能差，重量大而降低燃料的使用效率等。近年来，随着新材料的不断发展，为设计者设计轻质螺旋桨提供了全新的契机，例如，铝合金材质相对密度小，抗腐蚀性能好，加工成形好，焊接性能好，无低温脆性等。

本文以某46 m半滑行船的青铜质实桨为例，先运用升力面法和有限元法计算其水动力性能和桨叶强度，验证其计算精度。以此青铜桨为母型桨，对桨叶厚度做适当修改以满足铝合金材质的强度要求。

1 基于升力面法的水动力性能预报

1.1 升力面理论简介

升力面法本质是用一系列离散的源汇、涡或偶极子等奇点组合来模拟流动现象。运用升力面法预估螺旋桨敞水性能，假定绕流桨叶的流体无黏、不可压缩。螺旋桨桨叶以离散的涡格和线源元素代替后，相应的尾涡也以离散形式给出，在桨叶拱弧面上各控制点满足不可穿透条件。

作用在螺旋桨叶上的势流力分为库塔-茹可夫斯基力合拉格雷力。前者由展向及弦向涡产生，后者由离散线源产生。这些力的计算是在每个线涡和线源元素上进行的，在每个展向及弦向元素的中点(称负荷点)计算其总的流动速度，作为该段元素上总流动速度的平均值，它不包括本身奇点所引起的诱导速度。……